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仉博简/文
黑洞带来的问题
黑洞是宇宙中最吸引人的怪物.这些永不满足的宇宙暴食者,是爱因斯坦的广义相对论的一个预言,但其概念非常简单.根据广义相对论,有质量的物质能弯曲时空,而引力就是时空弯曲的表现.一个质量足够大、密度足够高的物质,能使周围的时空严重弯曲,产生的引力如此之强,以至于任何东西,甚至光,都无法从中逃逸.
然而,黑洞的存在会导致许多严重的理论问题.
广义相对论认为,黑洞内所有的物质都会被压成一个体积为零的、密度无穷大的“奇点”.然而,没人能理解奇点会是什么样的,因为当前的物理学还无法处理无穷大的问题.
与此同时,物理学家的计算表明,物质掉进黑洞后,所携带的信息也随之被摧毁,但这在量子力学中是不允许的.如果要让黑洞不破坏信息,那么黑洞的事件视界（即黑洞的边界）上必须存在一个被称为“火墙”高能区域,任何落向黑洞的物体最终都会撞到“火墙”并被烧掉,但这却与广义相对论冲突.广义相对论认为,黑洞的事件视界上以及附近的时空是光滑的,一位观测者穿过事件视界时不会注意到有任何变化,所以不应该有什么“火墙”.
这些问题早在20世纪60年代就开始显现出来了,所以理论学家一直在争论黑洞是否真的存在.但随后,天文学家发现了许多表明黑洞存在的间接证据.
遍布宇宙的黑洞
根据广义相对论,一颗大质量恒星燃料耗尽时,它能在自身的引力下坍缩成一个黑洞.黑洞本身是不发光的,很难与漆黑的太空背景区分开来,但黑洞周围通常有高温气体围绕,这些气体通常会发出很强的辐射,天文学家可以通过寻找这种现象来定位黑洞.例如在1964年,天文学家就在天鹅座附近发现了一个很强的X射线源,它被称之为天鹅座X-1.其X射线被认为是黑洞周围高温气体辐射出的.经过大量的观测后,天文学家在20世纪70年代最终确认,天鹅座X-1就是黑洞.
此外,在早期的宇宙中,当巨大的星云坍缩形成星系时,其中心区域的气体会变得极为密集,最终会形成超大质量黑洞,每个黑洞的质量可达太阳质量的数百万甚至数十亿倍.20世纪70年代,天文学家就发现,银河中心有一个非常明亮以及致密的无线电波源,被称为人马座A*,随后的研究,特别是对周围附近恒星运动轨迹的观测,使天文学家相信,那里存在一个超大质量黑洞,其质量大约是太阳质量的400万倍.
而在2015年9月,借助美国的两个激光干涉引力波天文台（简称LIGO）,人类首次检测到了引力波.这个引力波被认为是两个黑洞合并时产生的,所以说这个发现使得黑洞的存在更加令人信服.
现在,我们已经知道黑洞可能遍布宇宙各处：巨大的恒星会坍缩为黑洞,两个大质量天体碰撞也可能产生黑洞,在许多星系的中心还躲藏着超大质量黑洞.
另一种假想的天体
那么,基于这么多的天文学观测,是不是就可以确定黑洞是存在的？事实上并不是.因为,物理学家还提出了一种假想的天体,它本质上与黑洞完全不同,而且不会带来理论上的严重问题,但却能产生与黑洞相同的观测结果.它就是玻星.
为了理解玻星,我们首先来了解一些粒子物理学的知识.
从我们自身以及身边的事物,到行星、恒星等物质,它们都是由一种被叫做费米子的粒子构成的.中子、质子、电子等粒子都属于费米子.费米子主要特点是遵守泡利不相容原理,即在一个系统中不能有两个或两个以上的费米子处于完全相同的状态.例如,原子中不允许有两个量子状态完全相同的电子,这样电子不是随意地拥挤在一起,而会形成一个有规律的分布结构,而这就是为什么各种化学元素具有不同的电子分布的原因.
玻却完全不同—它们不遵守泡利不相容原理.最为著名的玻之一,就是2012年发现的希格斯玻,它能赋予其他基本粒子以质量.而其他玻,能携带使费米子发生相互作用的力.例如,光子就是一种玻,它能携带电磁力,使得带电的费米子发生相互作用.
因为玻不遵守泡利不相容原理,它们可以挤在一起,而且没有限制.那么,玻是否可以形成如恒星那么大的星体呢？1955年,美国物理学家约翰·惠勒就考虑过一个星体是否可以完全由光子构成.但物理学家经过分析发现,由光子等这种自旋为1的玻构成的星体是不稳定的,最终会蒸发掉.
到了20世纪60年代,美国马里兰大学的物理学家大卫·考普发现,自旋为0的玻可以形成一个稳定的星体.但在当时,并没有发现自旋为0的玻.直到2012年7月4日,希格斯玻被发现了.希格斯玻就是一种自旋为0的玻,这个给予了那些相信玻星存在的物理学家一个巨大的鼓舞.
但还有一个很大的问题需要解决.分析表明,玻的质量越小,它们形成的星体质量就越大.质量非常大的玻星意味着它是由质量非常小的玻构成的.然而,希格斯玻质量却很大,大约是电子质量的25万倍.不过,还存在着一个可能的候选者—轴子.轴子是一种假想的玻,早在20世纪70年代就被提了出来,最初是为了解决某些其他的物理学问题而提出来的一个新概念.理论预测轴子的质量极微小,只有电子质量的5千亿分之一到5千万分之一,而且电荷和自旋都是0.轴子还被认为是组成暗物质的候选粒子.
虽然还没有找到轴子或其他自旋为零的玻,但是如果能发现玻星的话,那么通过对其观测,就可以分析出构成该星体的玻具有何种性质,进而能帮助科学家在地球的实验室中找到这种玻.
黑色的甜甜圈
那么,玻星会是什么样的？
当普通物质在引力的作用下坍缩成恒星时,温度会升高,最终使物质发生核聚变,产生出光线.相比之下,玻星只会聚在一起,不会引发核聚变,也不发光.模拟表明,如果玻星像传统恒星一样旋转,离心力会使它变为中空的环状,就像甜甜圈那种形状.
自己不发光,所以玻星将是看不见的,留下的只是它们强大的引力.可以看出,玻星如果质量很大的话,那么它们能产生与黑洞类似的观测效果.也许,之前我们认为是黑洞的天体,可能是玻星.
那么,我们怎么判断一个观测对象是黑洞还是玻星？
LIGO就有可能就能探测到玻星.两个黑洞合并产生的引力波与两个玻星产生的引力波,虽然很相似,但仍有着细微的差别.有差别的地方不是在合并前的阶段,而是合并之后.合并之后的黑洞或玻星还会产生一股逐渐衰减的引力波,就像刚敲过的钟或三角铁产生的声波一样.钟声与三角铁的声音听起来不相同.同样,合并之后黑洞产生的引力波与玻星产生的引力波也是不同的,都有着各自的音色.
但不幸的是,这种差别会很小,当前的LIGO还没能力分辨清楚两种引力波的区别.也许,通过不断对LIGO进行升级最终可以做到这一点,但这可能需要再等好几年.
给银河系中心拍个照
没耐心？别着急,最终的结果可能马上就会得到.
2017年4月,世界各地的天文学家做了一个重要的天文观测：给黑洞拍摄第一张照片.这个项目叫做“事件视界望远镜”,主要是把分布在世界各地的射电望远镜结合起来,互相协调并同时观测同一目标,然后记录数据,形成一个口径等效于地球直径的虚拟望远镜.观测的主要目标,是位于银河系中心的人马座A*.拍摄总共进行了10天,但是把照片处理出来,得等到2017年年底或2018年年初.
而事件视界望远镜应该能搞清楚人马座A*是黑洞还是玻星.
当然,该观测计划最终拍摄出的照片可能很模糊.不过,参与其中的研究人员表示,事件视界望远镜不仅能拍到那里产生辐射的高温气体,如果那里真的有黑洞的话,那么黑洞本身的形状也能在周围物质的映衬下显现出来.也就是说,照片的存在一个黑色的洞.
但如果照片的出现的是一个黑色的甜甜圈,那这可能就表明,人马座A*其实是一颗质量巨大的玻星.
当事件视界望远镜的第一张图像最终呈现出来时,大多数科学家并不期待任何惊喜.“恐怕只是一个无聊的黑洞而已.”一位参与事件视界望远镜的研究人员说到.因为大家对黑洞有着很深的信念,即使是那些从事玻星的研究人员也承认,黑洞更有可能存在.
但如果最终拍摄到的不是黑洞,而是玻星或其他什么的话,会给现有理论一个很大的冲击,它迫使物理学重新审视相关的理论,并可能催生出全新的理论.所以,我们对结果最好保持开放的心态.
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参考文献：
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